Лабораторная работа № 1. Дуговая сварка плавлением: ручная, автоматическая и механизированная

Цель работы

Изучить свойства электрической сварочной дуги, ознакомиться с основными видами электрической дуговой сварки открытой дугой.

Ознакомиться с устройством и принципом работы оборудования для сварки на постоянном и переменном токе.

Исследовать внешние характеристики источников сварочного тока.

Ознакомиться с процессами дуговой сварки, которые демонстрирует мастер производственного обучения.

Ознакомиться с устройством и принципом работы сварочного автомата и полуавтомата.

1.1. Оборудование сварочных постов

Комплект оборудования, технологически связанного между собой для выполнения сварочных работ тем или иным способом (ручной, механизированной или автоматической), называют сварочным постом или сварочной установкой.

В состав сварочного поста или установки в зависимости от необходимости (или возможности) входят:

а) основное сварочное оборудование, к которому относят источники питания дуги сварочным током, сварочные автоматы или полуавтоматы, а также приборы (аппараты) для управления, контроля и регулирования процесса сварки;

б) механическое вспомогательное сварочное оборудование, служащее либо для крепления на нем и перемещения сварочных автоматов и полуавтоматов (тележек различных типов), либо для манипулирования расположенным на нем свариваемым изделием в процессе сварки (кантователи, манипуляторы и т.п.);

в) инструмент и приспособления сварщика: сварочные провода, электрододержатель, зубило и молоток слесарные или комбинированный молоток-зубило, щетки волосяная и стальная, совок, щиток или шлем-маска, личное клеймо сварщика, контейнеры (сумка) для электродов и огарков, спецодежда сварщика.

Сварочные посты могут быть стационарными или передвижными.

Стационарный сварочный пост для ручной сварки, например, - это участок производственной площади, снабженный источником питания дуги, КИПом, приспособлениями и инструментом.

1.2. Основы теории электрической дуговой сварки.

Тепловая энергия сварочной дуги

Основным источником тепла при дуговой сварке плавлением является электрический дуговой разряд.

Электрическая дуговая сварка может выполняться плавящимся (металлическим) и неплавящимся (угольным, вольфрамовым) электро­дами. Металлический плавящийся электрод служит проводником электрического тока (рис. 1.1,а) и одновременно выполняет роль присадочного материала. Неплавящийся электрод служит лишь проводником сварочного тока (рис. 1.1, б), присадочная проволока, при необходимости, вводится в зону свароч­ной дуги.

Рис. 1.1. Схемы сварки:

а - плавящимся электродом; б - неплавящимся электродом.

Электрическая сварочная дуга представляет собой длительный самостоятельный разряд электричества в атмосфере газов и паров металла между двумя электродами, проводящими большой ток – (5-4000) А – при относительно низком напряжении – (10-60) В. Электрическая сварочная дуга является концентрированным источником тепловой и световой энергии.

Ионизация дугового промежутка происходит во время зажигания дуги и непрерывно поддерживается в процессе её горения. Процесс зажигания дуги включает три этапа: короткое замыкание электрода на заготовку, отвод электрода на расстояние 3-6 мм и возникно­вение устойчивого дугового разряда. Короткое замыкание (рис.1.2,а) выполняется для разогрева торца электрода 1 и заготовки 2 в зоне контакта с электродом. После отвода электрода (рис.1.2,б) с его разогретого торца (катод) под действием электрического поля начи­нается термоэлектронная эмиссия электронов 3. Столкновение быстродвижущихся по направлению к аноду электронов с молекулами газов и паров металла приводит к их ионизации 4. По мере разогрева столба дуги и повышения кинетической энергии атомов и молекул происходит дополнительная ионизация за счет их соударения. В результате дуговой промежуток становится электропроводным, и через него происходит разряд электричества. Процесс зажигания дуги заканчи­вается возникновением устойчивого дугового разряда (рис. 1.2, в).

Рис. 1.2. Схема процесса зажигания дуги

Температура столба дуги 6 зависит от материала электрода и состава газов в дуге, а температура катодного 5 и анодного 7 пятен приближается к температуре кипения металла электродов. Эти температуры для дуги покрытого стального электрода составляют соответственно ~ 3300 и ~ 3900 °С. Температура столба дуги 6000-7000 °С. При этом в анодной области дуги, как правило, выделяется значительно больше тепловой энергии, чем в катодной.

Электрическая сварочная дуга переменного тока промышленной частоты (f = 50 Гц) горит неустойчиво. Она возбуждается и гаснет 100 раз в секунду.

Устойчивость горения сварочной дуги переменного тока зависит от интенсивности повторного зажигания дуги в каждом полупериоде. Интенсивность повторного зажигания дуги определяется степенью ионизации газов в дуговом промежутке. При недостаточной степени ионизации газовой среды повторное возбуждение дуги происходит при повышенном напряжении, называемом напряжением зажигания дуги.

В процессе сварки электроды нагреваются двумя источниками: тепловой энергией сварочной дуги и теплом, выделяющимся при про­текании сварочного тока по вылету электрода.

При горении сварочной дуги тепло в электрод вводится через катодное пятно нагрева. Установлено, что тепловая энергия свароч­ной дуги нагревает электрод с торца по длине не более 10 мм.

Рис. 1.3 - Вылет электрода:

а- - при ручной сварке;б - при автоматической сварке под слоем флюса

Тепловая энергия, выделяющаяся в соответствии с законом Джоуля-Ленца, нагре­вает электрод по длине вылета (рис. 1.3) и способствует ускорению плавления электрода. Количество тепловой энергии (Дж), выделяемое на вылете электрода, зависит от плотности сварочного тока, длины вылета и удельного сопротивления металлического стержня электрода.

Производительность дуговой сварки определяется количеством наплавленного металла в единицу времени (г/ч) и зависит от сварочного тока I_св и коэффициента наплавки.

G = α_н · I_св , (1.4)

где α_н - коэффициент наплавки, г/А·ч.

Коэффициент наплавки α_н характеризует количество наплавлен­ного металла электрода на поверхность детали под действием тока в 1 А за единицу времени. Величина коэффициента наплавки зависит от многих факторов: силы сварочного тока, марки электрода, положения сварочного шва в пространстве и др.

Электрическая дуга является проводником тока и в то же время нелинейным элементом цепи, так как у нее постоянно меняются длина, сопротивление, напряжение и ток. Зависимость напряжения дуги от силы сварочного тока называется статической (вольтамперной) ха­рактеристикой дуги (рис. 1.4).

Рис. 1.4 - Статическая (вольтамперная) характеристика дуги

При малых значениях тока (область I) характеристика дуги падающая, при средних значениях тока (при ручной и автоматической сварке под флюсом) напряжение не зависит от силы тока и характеристика будет жесткой (область ІІ). При больших значениях тока (при сварке в защитных газах и под флюсом) характеристика дуги будет возрастающей (область ІІІ). Из характеристики дуги видно, что для её зажигания, когда токи малы, нужно повышенное напряжение в 40 - 60 В. При горении дуги напряжение должно упасть примерно до 20 - 30 В (дуга длиной 4 мм при стальном электроде с тонким пок­рытием). При больших плотностях тока напряжения должны соответственно расти.